中國科大在鈮酸鋰高頻聲波器件領域取得重要進展

來源：中國電子元件行業協會| 發布日期：2023-07-13 10:45

近日，中國科大微電子學院左成杰教授課題組兩篇論文入選2023年國際微波會議（IMS，全稱為：IEEE International Microwave Symposium）。IEEE IMS是國際微波領域的全球著名學術會議，IMS 2023于6月11日至16日在美國San Diego舉辦，今年在微波聲學方向總共只收錄了6篇Oral論文，其中包括中國科大的2篇。

隨著無線通信從5G向Beyond 5G (B5G)和6G發展，有些國家已經將6 GHz全頻段授權用于Wi-Fi 7，而更多的國家在考慮將此頻段部分用于蜂窩無線通信（5.5G或者6G）。因此，源于對不同制式和頻段間信號的隔離需求，工作在6 GHz的高品質因數（Q值）聲波諧振器以及高性能濾波器將會成為下一階段無線通信發展的關鍵技術。另一方面，Sub-7 GHz頻段的大規模使用（包括6G、Wi-Fi 7、UWB等）將會導致頻帶越發地擁擠，所以針對更高頻率（甚至毫米波頻段）的無線通信技術的布局與探索也顯得至關重要。因此，6 GHz及以上的高頻、高性能聲波諧振器和濾波器都是我國6G以及Wi-Fi產業發展必須要自主可控的基礎元器件和核心芯片技術。左成杰教授課題組針對上述戰略需求做了以下兩項工作：

1、高滾降無雜散S1模態高頻聲波濾波器

針對6 GHz頻段的濾波器，該課題組前期實現了一階對稱蘭姆波（簡稱S1模態）諧振器Q值的突破（Zhongbin Dai, et al., IEEE Electron Device Letters, vol. 43, no. 7, 2022），但由于這一模態的寄生振動復雜，在濾波器設計中使用S1模態諧振器仍然存在很大的挑戰。雜散振動不僅會導致濾波器帶內紋波大，還會惡化插入損耗。因此，基于已有諧振器的高Q值特性，抑制S1模態的雜散振動，是實現高滾降濾波器的有效方案。

該課題組研究了基于X切向的鈮酸鋰壓電薄膜中S1模態的傳播特性，分析了雜散模態產生的原因，研究了自由壓電區域和金屬覆蓋區域對于雜散模態振動頻率和振動幅度的影響，選取了最佳的金屬間距和電極寬度，成功制備出了無雜散的S1模態高頻聲波諧振器。該研究采用一階T型拓撲結構的濾波器電路，能夠最大化地利用S1模態的高Q值特性，從而獲得最陡峭的滾降。最終測試結果表明，濾波器中的串聯諧振器的工作頻率在6.4GHz附近，帶內雜散模態被抑制，具有989的品質因數（Q值）和3.3%的機電耦合系數（k2）。基于帶內無雜散的S1模態諧振器，所制備的濾波器測試結果表明，中心頻率為6.4 GHz，插入損耗為2.6dB，帶內紋波小于0.5 dB，帶外抑制點深度為40dB。在通帶右側，基于諧振器高達989的Qp，濾波器在55 MHz的過渡帶內實現了從插入損耗2.6dB到40dB帶外抑制的陡峭滾降。這是國際上首次實現基于S1模態的6 GHz聲波濾波器，其性能證明了諧振器高Q值對于高頻濾波器設計的重要性。研究成果以“A 6.4-GHz Spurious-Free Acoustic Filter based on Lithium Niobate S1-Mode Resonator”為題發表在IMS 2023上，第一作者為中國科大微電子學院碩士生劉雪彥，微電子學院左成杰教授為論文的通訊作者。

S1高頻無雜散聲波器件（a）諧振器截面示意圖，（b）諧振器SEM圖像，（c）諧振器測試導納曲線，（d）測試所得濾波器傳輸特性

2、高機電耦合系數超高頻聲波諧振器

當前，提高超高頻（> 20GHz）聲波諧振器的性能仍然存在很大的挑戰，頻率提高帶來的更大損耗導致諧振器難以實現高Q值；同時，更高的諧振頻率要求壓電薄膜更薄，這會導致器件的魯棒性降低。因此，尋找新的振動模態，以及革新壓電薄膜的襯底結構都是業界追逐的焦點。

該課題組基于Y128°切向的鈮酸鋰壓電薄膜中第三階反對稱蘭姆波（簡稱A3模態）的傳播特性，選取了最佳的電極排布方向，并優化了薄膜的刻蝕工藝，成功制備出高機電耦合系數（k2）的超高頻聲波諧振器。該研究采用了X方向的電極排布，能夠最大化地激發鈮酸鋰薄膜中的A3模態，從而獲得最大的機電耦合系數。刻蝕工藝的優化能夠使諧振器的側邊具有更好的垂直度，從而能有效反射聲波能量回到諧振器體內，進而提升諧振器Q值。最終測試結果表明該器件的工作頻率在20.4GHz附近，具有461的品質因數（Q值）和6.95%的機電耦合系數（k2），表現出良好的器件優值（FoM =Q·k2= 32），這是當前已報道的工作在該頻段的最大諧振器優值。研究成果以“A 20.4-GHz Lithium Niobate A3-Mode Resonator with High Electromechanical Coupling of 6.95%”為題發表在IMS 2023上。第一作者為中國科大微電子學院博士生林福宏，微電子學院左成杰教授為論文的通訊作者。